CN103076097A - 基于参照源的分段线性非均匀矫正方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于参照源的分段线性非均匀矫正方法。它是将成像系统的工作范围分为N段，在每一段内使用两点校正法。这样就大大减少了由于探测器响应的非线性给两点校正法造成的误差，而且相对来说更容易在硬件上进行实现。

Description

基于参照源的分段线性非均匀矫正方法

技术领域

本发明涉及一种应用在对非制冷红外热像仪探测器的非均匀校正方法。

背景技术

非制冷红外焦平面阵列目前受材料和制作工艺的限制，各像元的响应并不均匀，这样就会造成不同阵列单元(像元)在同一均匀入射辐射下，其响应信号的幅度不同，严重影响红外视频成像，使其难以满足成像系统的使用要求。因此，视频成像之前需要对红外焦平面阵列的输出信号进行非均匀校正。

传统的非均匀校正方法主要有两种：两点校正法和多点分段线性校正法。然而，两点线性非均匀性校正算法是假设探测元的响应为线性的基础是得到的。但是当焦平面阵列工作在输入输出响应曲线的非线性区时，两点校正法的校正精度很差；另外，受温度、偏置电压等因素随机变化的影响，两点校正系数存在一定的偏移，必须对校正系数进行定期更新。而多点分段线性校正算法定标点愈多数据量愈大，校正算法愈复杂，甚至要重新考虑处理器的结构问题。而且多点分段线性校正法计算量大，并且由于存储多组校正系数，需要大容量存储器，在校正过程中还需要根据背景温度的变化选择合适的校正系数，这增加了编程和硬件实现的难度。

现有技术存在以下问题缺点：a)、焦平面阵列的响应特性可能会随时发生变化，还应考虑非平稳的1/f噪声和环境温度的变化，因此仅仅一次定标是不够的。b)、两点线性校正法只对温度处于所考虑的温度范围内的辐射起到较好的校正作用，但有些情况下，辐射体的温度并不能够预先知道，如在大气层外飞行的目标，这给两点线性校正法带来一定的困难。c)、实际阵列元的响应是非线性的，虽然可以通过多点分段线性校正来弥补两点线性校正的不足，但是这样必然增加校正算法所需的存储量。

发明内容

为了克服现有技术的缺点，本发明提供一种基于参照源的分段线性非均匀矫正方法，它易于硬件实现，算法精度高。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：它是将成像系统的工作范围分为N段，在每一段内使用两点校正法。

本发明是一种基于两点校正法的一种算法，它像多点校正法一样将成像系统的工作范围分为N段，但在每一段内使用两点校正法，这样就大大减少了由于探测器响应的非线性给两点校正法造成的误差，而且相对来说更容易在硬件上进行实现。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为原始红外图像；

图2为两点校正图像；

图3为本发明的校正图像；

图4为本发明抖动阵列获得的第一图像；

图5为本发明抖动阵列获得的第二图像；

图6为本发明抖动阵列获得的第三图像；

图7为本发明抖动阵列获得的第四图像。

具体实施方式

算法的基本原理

本发明的基本原理是将成像系统的工作范围分为N段，在每一段内使用两点校正法。

假设两个相邻像元A和B对应于两个场景温度点1和2的响应，并分别用I_A1、I_A2、I_B1和I_B2来表示，则A和B响应增量的比率R_AB可表示为

$R_{\mathrm{AB}}=\frac{I_{A1}-I_{A2}}{I_{B1}-I_{B2}}---\left(1\right)$

而像元的响应为

I_A1＝g_Aφ₁+o_A(2)

I_A2＝g_Aφ₂+o_A(3)

I_B1＝g_Bφ₁+o_B(4)

I_B1＝g_Bφ₁+o_B(5)

其中g_A、o_A、g_B和o_B分别为像元A、B的增益和偏移系数，φ₁、φ₂。为两个场景温度点的辐射通量。

将式(2)-(5)代入式(1)后可得：

R_AB＝g_A/g_B(6)

这样将像元B的响应乘以增益比率值g_A/g_B，则两个像元的增益都为g_A；对任一像元来说，若能够利用其所有相邻元计算出平均增益比率值，并用它去乘以此像元的响应，那么这个像元的增益是其相邻像元增益的平均值；通过重新评估所有像元的平均增益比率值并重新乘以平均增益比率值，重复这种操作，可使得每个像元的增益相对于它的相邻点收敛到均一化。

在增益校正后，假设增益是相等的，即g_A＝g_B，则当两个像元的输入的增量相同时，响应增量的差值Δ_AB应在于其偏移量差值不同，有

Δ_AB＝I_A-I_B＝o_A-o_B(7)

将这个差值从像元的响应中减去，则

I_A-Δ_AB＝g_Aφ+o_B(8)

此时两个像元有相同的偏移量O_B；对任一像元来说，若能够利用其所有相邻元计算出平均偏移量，并将它从此像元的响应中减去，那么这个像元的偏移量是其相邻像元偏移量的平均值；对每个探测元重复这样的迭代处理，将逐渐去除偏移量变化如果在预先确定的模式下抖动阵列，使相邻像元扫描到同一场景点，而且下列假设成立：

a)探测器在不同的时间记录同样的场景点，得到的响应是相同的；

b)在一个抖动循环中场景静止。

则可以利用这些相邻像元计算出平均增益比率和平均偏移量，从而完成图像的非均匀性校正。

下面就对增益校正矩阵和偏移量校正矩阵的表达式进行详细推导。

一、增益校正矩阵

用矩形模式抖动阵列得到四帧连续的数据I₁、I₂、I₃和I₄，如图4-7所示。

沿水平和垂直方向的抖动距离为一个像元的宽度和高度，以矩阵[I₁]、[I₂]、[I₃]和[I₄]分别表示通过抖动矩阵所获得的四帧连续的图像数据，则

[I₁]＝[G][Φ]+[O](9)

[I₂]＝[G][Φ]^→+[O](10)

[I₃]＝[G][Φ]^→↑+[O](11)

[I₄]＝[G][Φ]^↑+[O](12)

式中[G]和[O]分别为阵列的增益和偏移矩阵，[Φ]为场景的辐射通量矩阵，箭头表示抖动后的位置(相对于原始位置)，所以可得

[I₁]-[I₂]＝[G]([Φ]-[Φ]^→)(13)

[I₄]^↓-[I₃]^↓＝[G]^↓([Φ]-[Φ]^→)(14)

$\frac{{\left[I_4\right]}^{\↓}-{\left[I_3\right]}^{\↓}}{\left[I_1\right]-\left[I_2\right]}=\frac{G^{\↓}}{G}---\left(15\right)$

同理可得

$\frac{{\left[I_1\right]}^{\→}-{\left[I_4\right]}^{\→}}{\left[I_2\right]-\left[I_3\right]}=\frac{{\left[G\right]}^{\→}}{\left[G\right]}---\left(16\right)$

$\frac{\left[I_2\right]\↑-\left[I_1\right]\↑}{\left[I_3\right]-\left[I_4\right]}=\frac{\left[G\right]\↑}{\left[G\right]}---\left(17\right)$

$\frac{{\left[I_3\right]}^{\←}-{\left[I_2\right]}^{\←}}{\left[I_4\right]-\left[I_1\right]}=\frac{{\left[G\right]}^{\←}}{\left[G\right]}---\left(18\right)$

由此得到平均增益比率矩阵

$\mathrm{PJ}\_\mathrm{GC}=\frac{1}{5}(1+\frac{G^{\←}}{G}+\frac{G^{\→}}{G}+\frac{G^{\↑}}{G}+\frac{G^{\↓}}{G})---\left(19\right)$

而增益系数校正矩阵为

[GC]＝[GC]·PJ_GC(20)

其中第一次计算时，「GC]＝1。

二、偏移校正矩阵

分为两个步骤进行，第一步用抖动矩阵沿水平方向得到的图像I₁、I₂，计算出水平方向的偏移量校正矩阵，然后用它对I₂、I₃进行校正，得到I₂′、I₃′；第二步利用I₂′和I₃′计算出垂直方向的偏移量校正矩阵。

任一像元与其左侧相邻像元间的平均偏差用矩阵可表示为

${\mathrm{OC}}_{\mathrm{LN}}=\left[I_1\right]-\frac{1}{2}\left(\right[I_1]+{\left[I_2\right]}^{\←})=\frac{1}{2}\left(\right[I_1]-{\left[I_2\right]}^{\←})---\left(21\right)$

用此式对I₁、I₂数据进行校正后可得

${I_1}^{\′}=I_1-{\mathrm{OC}}_{\mathrm{LN}}=\frac{1}{2}\left[I_1\right]+\frac{1}{2}{\left[I_2\right]}^{\←}---\left(22\right)$

${I_2}^{\′}=I_2-{\mathrm{OC}}_{\mathrm{LN}}=\frac{1}{2}\left[I_2\right]-\frac{1}{2}\left[I_1\right]+\frac{1}{2}{\left[I_2\right]}^{\←}---\left(23\right)$

任一像元与其右侧相邻像元之间的平均偏差用矩阵可表示为

${\mathrm{OC}}_{\mathrm{RN}}=\frac{1}{2}({I_2}^{\′}-{I_1}^{\′\→})---\left(24\right)$

将式(22)、(23)带入(24)后可得

${\mathrm{OC}}_{\mathrm{RN}}=\frac{1}{4}(I_2-I_1+{I_2}^{\←}-{I_2}^{\→})---\left(25\right)$

$\left[{\mathrm{OC}}_{\mathrm{LR}}\right]=\left[{\mathrm{OC}}_{\mathrm{LN}}\right]+\left[{\mathrm{OC}}_{\mathrm{RN}}\right]=\frac{1}{4}\left(\right[I_1]-{\left[I_1\right]}^{\→}+[I_2]-{\left[I_2\right]}^{\←})---\left(26\right)$

用此式对I₂、I₃进行校正后可得I₂′、I₃′，同理可计算

$\left[{\mathrm{OC}}_{\mathrm{UD}}\right]=\frac{1}{4}\left(\right[{I_2}^{\′}]-{\left[{I_2}^{\′}\right]}^{\↑}+[I_3]-{\left[I_3\right]}^{\↓})---\left(27\right)$

总的平均偏移量矩阵为

NEW_OC＝OC_LR+OC_UD(28)

偏移校正矩阵为

[OC]＝[OC]+[NEW_OC](29)

第一次计算时，[OC]＝0。

其硬件实现过程如下：

根据求得的增益矩阵和偏移矩阵[GC]、[OC]，就可以对图像进行校正。对于图像第j个像元的响应ImageI_J，首先判断其属于哪一个场景温度区间

I_i-1，j＜Im ageI_J≤I_i，j

求得i。然后根据求出的i选择校正增益和偏移系数[GC]_i和[OC]_i，从而得到期望校正的响应值

I′_i，j＝[GC]_iΦ_j+[OC]_i(30)

即完成了一个像元的非均匀性校正。

Claims (5)

1.一种基于参照源的分段线性非均匀矫正方法，其特征在于：它是将成像系统的工作范围分为N段，在每一段内使用两点校正法。

2.根据权利要求1所述的基于参照源的分段线性非均匀矫正方法，其特征在于：所述的两点校正法，假设两个相邻像元A和B对应于两个场景温度点1和2的响应，并分别用I_A1、I_A2、I_B1和I_B2来表示，则A和B响应增量的比率R_AB可表示为

$R_{\mathrm{AB}}=\frac{I_{A1}-I_{A2}}{I_{B1}-I_{B2}}---\left(1\right)$

而像元的响应为

I_A1＝g_Aφ₁+o_A(2)

I_A2＝g_Aφ₂+o_A(3)

I_B1＝g_Bφ₁+o_B(4)

I_B1＝g_Bφ₁+o_B(5)

其中g_A、o_A、g_B和o_B分别为像元A、B的增益和偏移系数，φ₁、φ₂。为两个场景温度点的辐射通量。

将式(2)-(5)代入式(1)后可得：

R_AB＝g_A/g_B(6)

这样将像元B的响应乘以增益比率值g_A/g_B，则两个像元的增益都为g_A；对任一像元来说，若能够利用其所有相邻元计算出平均增益比率值，并用它去乘以此像元的响应，那么这个像元的增益是其相邻像元增益的平均值；通过重新评估所有像元的平均增益比率值并重新乘以平均增益比率值，重复这种操作，可使得每个像元的增益相对于它的相邻点收敛到均一化。

在增益校正后，假设增益是相等的，即g_A＝g_B，则当两个像元的输入的增量相同时，响应增量的差值Δ_AB应在于其偏移量差值不同，有

Δ_AB＝I_A-I_B＝o_A-o_B(7)

将这个差值从像元的响应中减去，则

I_A-Δ_AB＝g_Aφ+o_B(8)

此时两个像元有相同的偏移量O_B；对任一像元来说，若能够利用其所有相邻元计算出平均偏移量，并将它从此像元的响应中减去，那么这个像元的偏移量是其相邻像元偏移量的平均值；对每个探测元重复这样的迭代处理，将逐渐去除偏移量变化如果在预先确定的模式下抖动阵列，使相邻像元扫描到同一场景点，而且下列假设成立：

a)探测器在不同的时间记录同样的场景点，得到的响应是相同的；

b)在一个抖动循环中场景静止。

则可以利用这些相邻像元计算出平均增益比率和平均偏移量，从而完成图像的非均匀性校正。

3.根据权利要求1所述的基于参照源的分段线性非均匀矫正方法，其特征在于：所述的两点校正法，其中增益校正矩阵为：

用矩形模式抖动阵列得到四帧连续的数据I₁、I₂、I₃和I₄，沿水平和垂直方向的抖动距离为一个像元的宽度和高度，以矩阵[I₁]、[I₂]、[I₃]和[I₄]分别表示通过抖动矩阵所获得的四帧连续的图像数据，则

[I₁]＝[G][Φ]+[O](9)

[I₂]＝[G][Φ]^→+[O](10)

[I₃]＝[G][Φ]^→↑+[O](11)

[I₄]＝[G][Φ]^↑+[O](12)

式中[G]和[O]分别为阵列的增益和偏移矩阵，[Φ]为场景的辐射通量矩阵，箭头表示抖动后的位置(相对于原始位置)，所以可得

[I₁]-[I₂]＝[G]([Φ]-[Φ]^→)(13)

[I₄]^↓-[I₃]^↓＝[G]^↓([Φ]-[Φ]^→)(14)

$\frac{{\left[I_4\right]}^{\↓}-{\left[I_3\right]}^{\↓}}{\left[I_1\right]-\left[I_2\right]}=\frac{G^{\↓}}{G}---\left(15\right)$

同理可得

$\frac{{\left[I_1\right]}^{\→}-{\left[I_4\right]}^{\→}}{\left[I_2\right]-\left[I_3\right]}=\frac{{\left[G\right]}^{\→}}{\left[G\right]}---\left(16\right)$

$\frac{\left[I_2\right]\↑-\left[I_1\right]\↑}{\left[I_3\right]-\left[I_4\right]}=\frac{\left[G\right]\↑}{\left[G\right]}---\left(17\right)$

$\frac{{\left[I_3\right]}^{\←}-{\left[I_2\right]}^{\←}}{\left[I_4\right]-\left[I_1\right]}=\frac{{\left[G\right]}^{\←}}{\left[G\right]}---\left(18\right)$

由此得到平均增益比率矩阵

$\mathrm{PJ}\_\mathrm{GC}=\frac{1}{5}(1+\frac{G^{\←}}{G}+\frac{G^{\→}}{G}+\frac{G^{\↑}}{G}+\frac{G^{\↓}}{G})---\left(19\right)$

而增益系数校正矩阵为

[GC]＝[GC]·PJ_GC(20)

其中第一次计算时，「GC」＝1。

4.根据权利要求1所述的基于参照源的分段线性非均匀矫正方法，其特征在于：所述的两点校正法，其中偏移校正矩阵为：

分为两个步骤进行，第一步用抖动矩阵沿水平方向得到的图像I₁、I₂，计算出水平方向的偏移量校正矩阵，然后用它对I₂、I₃进行校正，得到I₂′、I₃′；第二步利用I₂′和I₃′计算出垂直方向的偏移量校正矩阵。

任一像元与其左侧相邻像元间的平均偏差用矩阵可表示为

${\mathrm{OC}}_{\mathrm{LN}}=\left[I_1\right]-\frac{1}{2}\left(\right[I_1]+{\left[I_2\right]}^{\←})=\frac{1}{2}\left(\right[I_1]-{\left[I_2\right]}^{\←})---\left(21\right)$

用此式对I₁、I₂数据进行校正后可得

${I_1}^{\′}=I_1-{\mathrm{OC}}_{\mathrm{LN}}=\frac{1}{2}\left[I_1\right]+\frac{1}{2}{\left[I_2\right]}^{\←}---\left(22\right)$

${I_2}^{\′}=I_2-{\mathrm{OC}}_{\mathrm{LN}}=\frac{1}{2}\left[I_2\right]-\frac{1}{2}\left[I_1\right]+\frac{1}{2}{\left[I_2\right]}^{\←}---\left(23\right)$

任一像元与其右侧相邻像元之间的平均偏差用矩阵可表示为

${\mathrm{OC}}_{\mathrm{RN}}=\frac{1}{2}({I_2}^{\′}-{I_1}^{\′\→})---\left(24\right)$

将式(22)、(23)带入(24)后可得

${\mathrm{OC}}_{\mathrm{RN}}=\frac{1}{4}(I_2-I_1+{I_2}^{\←}-{I_2}^{\→})---\left(25\right)$

$\left[{\mathrm{OC}}_{\mathrm{LR}}\right]=\left[{\mathrm{OC}}_{\mathrm{LN}}\right]+\left[{\mathrm{OC}}_{\mathrm{RN}}\right]=\frac{1}{4}\left(\right[I_1]-{\left[I_1\right]}^{\→}+[I_2]-{\left[I_2\right]}^{\←})---\left(26\right)$

用此式对I₂、I₃进行校正后可得I₂′、I₃′，同理可计算

$\left[{\mathrm{OC}}_{\mathrm{UD}}\right]=\frac{1}{4}\left(\right[{I_2}^{\′}]-{\left[{I_2}^{\′}\right]}^{\↑}+[I_3]-{\left[I_3\right]}^{\↓})---\left(27\right)$

总的平均偏移量矩阵为

NEW_OC＝OC_LR+OC_UD(28)

偏移校正矩阵为

[OC]＝[OC]+[NEW_OC](29)

第一次计算时，[OC]＝0。

5.根据权利要求1所述的基于参照源的分段线性非均匀矫正方法，其特征在于：所述的两点校正法，根据求得的增益矩阵和偏移矩阵[GC]、[OC]，就可以对图像进行校正，对于图像第j个像元的响应ImageI_J，首先判断其属于哪一个场景温度区间

I_i-1，j＜ImageI_J≤I_i，j

求得i，然后根据求出的i选择校正增益和偏移系数[GC]_i和[OC]_i，从而得到期望校正的响应值

I′_i，j＝[GC]_iΦ_j+[OC]_i(30)

即完成了一个像元的非均匀性校正。

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